国际全球海洋环流预报系统的现状与展望

回顾近年来国外主要海洋预报业务机构全球海洋环流预报技术的发展现状,特别是最近5～10 a来在全球海洋动力数值预报模式和多源资料同化技术方面的主要进展。结合未来相关学科发展的趋势,围绕观测体系建设、数据共享机制、大数据分析等新技术应用等方面提出国内相关研究工作的发展建议。     

斜压海洋动力学的一种三维数值模式 Ⅰ.动力学方程数值格式

依据自由海面海洋动力学原始方程建立了一种三维有限差分数值模式,可用于潮波、风暴潮和海流的数值模拟和预报。运动方程和连续方程的数值格式采用内、外模态分离的技术。外模态采用交替方向隐格式,用于计算海面高度和垂直平均流速,时间步长不受Ｃｏｕｒａｎｔ－Ｆｒｉｄｅｒｉｃｈｓ－Ｌｅｗｙ条件限制;内模态采用半隐格式,用于计算海流的垂直２颁布,其时间步长可大于外模态时间步长。模式的计算程度比一般显式模式可快１０倍     

区域海洋模式中的开边界问题

因研究对象不同,目前的海洋环流模式常分为全球模式和海盆尺度(区域)模式,各个模式考虑的物理过程、参数化方法、数值解法和分辨率都不尽相同,因此不同模式的计算结果存在差异,尤其区域尺度上的差异更为明显,这就对发展区域性的海盆尺度环流模式提出了要求.海盆尺度模式可以使用更高的分辨率,考虑更精细的物理和生化过程,从而对区域的刻画更为准确和真实,而且,在碳循环的研究中,陆架边缘海碳循环是新的研究热点,这也需要进一步发展海盆尺度的碳循环模式.另外从计算方面来说,限于目前的计算条件,在未来很长时间内海盆尺度碳循环模式都将与全球模式同时存在并互为补充.     

海洋数值模式结果可视化集成处理系统研制

随着海洋预警技术及计算能力的快速发展,海洋数值模式预报体系日趋完善。如何快速获取丰富、直观的海洋数值模式可视化产品是当前的研究热点。本文分析、提炼多源海洋数值模式结果(以Net CDF文件格式存储)的控制参数,利用虚拟化平行计算技术,采用核心服务器+数据处理服务器架构,实现海洋数值模式结果可视化集成处理系统研制。该系统能兼容多类模式结果处理,不仅提高了海洋数值模式结果可视化处理速率,也大大提升了服务器硬件资源的使用率。     

一个斜压海洋环流数值模式及其数值试验

为研究大尺度海洋环流和一些大尺度海洋物理过程,我们建立了一个无海底地形的三层斜压海洋环流数值模式。模式方程采用了静力近似和Boussinesq近似,在上边界采用了钢盖近似。同时,还做了两个数值试验:第一个模拟试验,海洋从静止状态开始,以4个季节的气候平均风应力和海表大气季节平均温度为强迫条件,积分区城选择45℃以北的太平洋,数值积分了5个模式年,这时海洋的上层环流和温度的年变化趋于平稳。计算结果再现了太平洋气候平均状态的海温分布和主要海流的大尺度特征以及它们的年变化特征。如西部强化流、赤道潜流等。第二个数值试验,在第一个数值模拟的基础上给定赤道西太平洋一个风应力异常区,数值积分了几个月。从计算结果中可看到类似E1 Ni■o的现象,并且初步地分析了赤道波动在E1 Ni■o形成过程中的作用。     

海洋对热带气旋响应的研究 Ⅱ.不同海洋热力结构下的情形

利用中二层非线性原始方程海洋模式，研究海洋在自身不同热力结构下对热带气旋的响应。计算结果表明，初始混合层（ML）深度和层结强度对海表温（SST）和ML深度变化起着十分重要的作用。初始ML深度对海流量值影响较大，层结强度则较小。东海陆架区特殊的海洋热力结构，极易造成SST下降。海洋对7002号台风响应的模拟结果与观测资料较一致。     

海洋对热带气旋响应的研究

利用中二层非线性原始方程海洋模式，研究海洋在自身不同热力结构下对热带气旋的响应。计算结果表明，初始混合层（ＭＬ）深度和层强强度对海表温（ＳＳＴ）和ＭＬ深度变化起着十分重要的作用。初始ＭＬ深度对海流量值影响较大，层结强度则较小。东海陆架区特殊的海洋热力结构，极易造成ＳＳＴ下降。海洋对７００２号台风响应的模拟结果与观测资料较一致。     

面向海洋观测与模式数据的客户端软件设计与实现

针对面向海洋观测与模式数据的客户端软件开发工作量大和通用性低的问题,结合传感器观测数据和模式数据的特点,提出了面向海洋观测与模式数据的客户端软件设计模型,通过原型系统验证了模型设计的有效性。该设计模型对于海洋观测与模式数据客户端软件的高效率开发具有重要作用。     

浅谈大数据背景下海洋地理信息系统的发展

21世纪是人类开发利用海洋的时代,海洋资源是我国可持续发展的重要保证,当下正处在大数据技术发展的热潮,将大数据技术与海洋信息系统相结合,发挥两者的优势,能更好地为我国海洋信息化服务。本文从大数据的概念出发,探讨了大数据背景下海洋信息系统的发展方向,提出以海洋地理信息系统为平台,建立海洋大数据时空大数据仓库,最后构建基于大数据的多环境多层次智能决策预警系统,为决策者提供依据。     

海洋大数据的内涵、现状与发展趋势展望

海洋数据是国家重要的基础性战略资源,海洋大数据融合应用发展对于实施海洋强国战略意义重大。本文从数据、技术和应用3个角度分析归纳了海洋大数据的内涵、外延和特征,提出了低质性、碎片化和隐匿性3个海洋大数据要解决的关键问题。从海洋大数据资源体系、海洋信息通信网、海洋大数据处理分析、海洋大数据存储管理和共享服务,以及海洋大数据应用研发等方面总结了海洋大数据发展能力现状和趋势,探讨了当前国家海洋大数据中心发展需求,架构海洋大数据国内外总体布局,从数据资源、关键技术、共享服务、开放创新、融合应用和国际合作等6个方面,研究提出海洋大数据重点发展方向,以期为国家、行业和地方海洋大数据发展提供参考。     

胶南近岸海域海流实测资料分析及数值模拟计算

基于2005年胶南近岸海域海流的周日连续观测资料,对该海域观测日期内的海流特征、潮流性质及余流特点进行了初步分析;进而在实测资料分析的基础上,利用分步杂交法对潮流场进行了数值模拟计算,展现了M2分潮的潮波系统、潮流椭圆分布、最大流速分布及逐时潮流场。数值计算结果与实测资料分析结果相一致,较好地反映出该海域M2分潮潮流场时空分布的基本特征,对该海域的水动力状况有了更进一步了解,为胶南近岸海域的环境保护规划的制定提供了一定条件下的科学依据。     

利用海洋重力数据和水深数据的相关性剔除粗差

在进行海洋重力和水深测量的时候,由于各种原因会造成部分测量数据带有较大的误差或出现错误.根据海洋重力测量时同时进行水深测量的作业方式,通过实际测量数据,利用海洋重力数据和水深数据的相关性,介绍了在数据后处理中海洋重力数据和水深数据的相互参照作用,以判断测量数据的正确与否,便于删除错误数据,提高测量数据的质量.     

海洋声学调查数据处理系统的实现及关键技术

针对目前我国海洋水声环境调查需求,结合国内现有的技术条件和现有的处理方法、原理,详述了海洋声学调查数据处理系统的实现途径及关键技术的解决,该系统软件满足我国目前海洋调查的需求,提高了海洋环境数据处理的自动化、数字化和信息化程度。     

渤海、黄海、东海冬季环流的数值模拟

在POM的基础上,建立一个σ坐标系下三维斜压预报模式,利用经过资料同化处理的周平均卫星遥感海面温度资料,考虑海底地形、外海出入流、海面风应力等因素的影响,较好的模拟了冬季渤、黄、东海环流的情况。     

数字海洋水体模型建立与三维可视化技术研究

在分析数字海洋水体要素信息表达需求基础上,提出了"水体立方"数据模型及其建立方法;基于 TerraSuite、Ev-Globe 等三维地理信息软件,研究了海面模拟、水体要素立体表达和海洋虚拟场景建立,其中通过"像元体"表达三维水体要素是本文的重点.该研究对数字海洋原型系统建设有技术指导作用.     

区域性海洋环流数值模式研究及对南海环流与海峡流量的模拟

基于MOM模式的物理框架,妥善考虑了开边界的物理过程,改造和发展了一个区域海洋数值模式。本模式不仅可以方便地调整开边界条件,使之满足边界的特定物理条件,而且可以方便地做针对性修改,使模式更加可靠。改进后的模式具有MOM模式物理概念明确、公式便于理解、结果便于表达的全部特点,同时克服了MOM模式边界条件不完整、程序不易调整、参数难以改变的缺点。区域性模式比全球模式的计算速度快很多倍,可以成为区域性研究的有效工具。将此模式应用于南海,利用Hellerman＆Rosenstein气候态风应力驱动模式10a,得到与全球模式效果相当的结果。模式模拟结果展现了南海流场的季节特征,在模式分辨率下表现出了多涡结构。根据模拟的流场计算了南海与其它海域的水交换通量。在年平均意义下,外海水通过吕宋海峡进入南海,南海水通过台湾海峡、民都洛海峡和卡里马塔海峡流出南海。各海峡水通量具有明显的季节变化。     

渤、黄、东海潮汐的一种验潮站资料同化数值模式

以往的研究表明,采用直接的数值计算所得渤、黄、东海潮汐分布与实测值存在一定偏差。为了改善数值计算结果,建立了一种同化数值模式。计算中,在连续方程中增加了一个松弛项,将模式结果向已有实测调和常数的控制点推算潮高值趋近。在数值模拟中,共选取40个沿岸和岛屿验潮站作为控制点,另外选取71个验潮站作为检验点。数值实验表明,随着松弛系数的增加,控制点的计算和实测调和常数之差逐渐减小,直至松弛系数太大时,计算溢出。与此同时,检验点的计算和实测调和常数之偏差开始时也同步地明显减小,但当松弛系数加大到一定数值后,偏差值基本上不再减小,表明通过松弛同化可以改善计算结果,但计算与实测的逼近程度仍有一定限度。对沿岸111个验潮站计算值与实测值的比较表明,对M2分潮,振幅和迟角偏差分别从同化前的6.9cm和5.6°减小至同化后的3.5cm和3.1°;对S2分潮,从2.5cm和6.5°减小至1.9cm和4.0°;对K1分潮,从3.0cm和7.8°减小至1.4cm和4.1°;对O1分潮,从2.0cm和7.5°减小至1.3cm和4.2°。